電子工程師評職范文線性光耦的應用

　　[摘要]本文介紹了線性光耦器件的特性及工作原理，分析了該類器件用于模擬信號隔離轉換的典型電路，給出線性光耦在煤礦電氣產品電路設計中的應用實例。

　　關鍵詞：線性光耦,光電隔離,核心期刊征稿,HCNR201

　　引言：

　　煤礦井下環境一般比較惡劣，為了適應井下的特殊環境，煤礦電氣產品的設計在電氣間隙、爬電距離、信號隔離等方面較普通電氣產品要嚴格的多。本文將介紹線性光耦隔離技術在煤礦電氣產品電路設計過程中的應用。

　　一、概述

　　煤礦井下傳感設備采集的環境參數信號和一些大型開關電氣設備的監視控制信號多是本質安全信號，這些信號無故障和不失真傳輸是保證煤礦井下安全生產監控系統可靠運行的保證。井下環境中有很多因素會導致此類信號的失真，如接地環路問題、測量回路相互連接問題、電磁干擾問題等等。隔離技術可以有效解決以上問題。對于數字信號的隔離，光電隔離是常用的信號隔離形式，光電隔離中光電耦合器通過光電轉換，以光為信號傳輸介質，從而實現了現場信號與控制裝置的完全隔離。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線性較差，并且隨溫度變化較大，一度限制了其在模擬信號隔離的應用。隨著半導體技術的發展，高精度、高線性度的線性光耦的出現，加速了光隔離技術在模擬信號隔離電路廣泛應用。

　　二、線性光耦

　　基本原理：

　　線性光耦組成的隔離電路本質上也是一種光耦和隔離放大器，它的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接收電路用于反饋。這樣兩個非線性的光接收電路，通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現線性隔離的目的。常用的線性光耦有Agilent公司的HCNR200/201，CLARE公司的LOC110，TI公司的TIL300，SSOUSA公司的SLC800等。

　　內部構成及特性：

　　LED為AlGaAs發光二級管，PD1和PD2為兩個匹配的光敏二級管，二極管反向電流與接收到的光強度成正比。隔離信號由1、2腳輸入，電流IF流過LED，LED發光被PD1和PD2接收，耦合電流IPD1和IPD2與電流IF成線性關系，線性系數分別為K1= ，K2= ，K1與K2一般很小其典型值均在0.05%左右。并且K1、K2隨溫度變化較大，但這并不影響信號的傳輸，因為真正影響輸入輸出信號比值的是二者的比值K3(傳輸增益)，在一個芯片制造出來之后，K3=IPD2/IPD1就為一個恒定值(HCNR200的值大概在1±0.15，HCNR 201的值大概在1±0.05，SLC800的大概在1±0.1，TIL300的值為1±0.25)，線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。

　　線性光耦隔離的一些重要指標如下：

　　Ø 線性度高：可以達到0.01%;

　　Ø 輸入輸出范圍可達0～15V

　　Ø 信號帶寬：直流到大于1MHz。

　　Ø 隔離電壓高：最高可達5000VDC/min，最大絕緣工作電壓可達1414V;

　　三、典型應用電路

　　(一)電壓信號的隔離VIN/VOUT

　　輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個電流傳遞系數分別為K1、K2，傳輸增益為K3,此電路中輸入和輸出之間關系為：Vout=K3 (根據運放電路的特性，具體推導過程這里不再贅述)，可根據需要放大的倍數設置R1和R2的值，如果不需要放大，只需將R2=R1即可。外圍器件選擇及參數確定方法如下：

　　1、選擇運放芯片：首先電路設計要求確定Vcc，這里選擇Vcc=5V;根據輸入信號的范圍及形式確定運放類型，這里設輸入為0-5V之間的電壓信號，為方便設計者自行控制電氣間隙和爬電距離，最好選擇單個運放芯片。LMV321單運放芯片可以滿足以上要求。

　　2、確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的10mA左右;

　　3、確定R3: 手冊上的光耦二極管的壓降為1.6V,所以R3=(5V-1.6V)/10mA=340

　　4、確定R1，R2: 因為手冊上的K1=IP1/IF系數是從0.25%到0.75%，典型值是0.5%，取最小值為0.25%，則IP1=K1*IF=0.5%*10mA=0.05mA，輸入電壓范圍是0-5V,所以 R1=5V/0.05mA=100K，根據電路要求，若輸出等于輸入，那么R2=R1=100K。根據實際需求選擇是否需要精密電阻。

　　(二) 電流電壓信號隔離轉換Iin/Vout

　　器件選擇和參數確定方法和電壓信號的隔離應用電路中的方法來類似，這里不再詳述。

　　四、應用實例：

　　筆者在設計膠帶輸送機保護裝置的時，需要將皮帶保護相關的幾個傳感器傳送到現場參數采集到主控站PLC中，然后根據計算結果實現對現場設備的控制。其中，堆煤傳感器輸出是0～5V電壓信號，溫度和電機電流均為4～20mA電流信號，還有其他傳感器為頻率信號。主控站中的控制器選用的西門子S7300系列的PLC，模塊的內部線路隔離電壓為600V，主控站內部本安電路和非安電路之間的隔離要求為2500V，因此必須選擇隔離耦合電路。考慮到主控站內部空間有限，筆者選用了HCNR201線性光耦器件，電路則包含本文以上介紹的兩種典型應用電路，實際測試，主控站電路本安信號和非安信號之間絕緣電阻不小于50MΩ,濕熱試驗后絕緣電阻不小于1.5 MΩ，工頻耐壓2500V，持續1分鐘，漏電流小于1mA;加載模擬信號測試，誤差可控制在1%以內。

　　五、參考文獻：

　　[1] HCNR200/201 Technical Data, Agilent Technologies.

　　[2]張寶生.基于高線性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板[J].儀表技術，2005,(5):59 - 60.

　　[3]楊小晨.高精度線性光耦器件HCNR200/201及其應用[J].儀器儀表用戶，2003,(5):41 - 42.